Page 43 - 《摩擦学学报》2021年第1期
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40 摩 擦 学 学 报 第 41 卷
温30 min，以便将其内部水分充分蒸发. 最后将干燥后 一，最大尺寸可达400 μm. 由图1(b)可知石英中主要包
的试样放置于850 ℃的高温电阻炉中保温5 min后取 含O、Si和Al三种元素，其主要组成为SiO 和Al O .
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出，并转移至150 ℃干燥箱中缓慢冷却后得到搪瓷涂 2.2 涂层微观结构和力学性能
层试样. 图2为不同石英添加量涂层界面及内部微观形貌
1.3 涂层组织结构和磨损性能表征 图. 其中由图2(a1)、(a2)、(a3)和(a4)可知，所有涂层与
采用线切割机将搪瓷钢板切割成10 mm× 5 mm × 基体界面处均存在由基体生长至涂层的锯齿状枝晶
5 mm和20 mm × 20 mm × 5 mm的试样分别用于截面 和游离在涂层中的小岛状枝晶，根据机械结合理论，
形貌观察和摩擦试验. 采用Alpha-Step D-100型表面轮 锯齿状枝晶可与涂层形成机械咬合，使涂层的附着力
[19]
廓仪测量涂层表面粗糙度，测量距离为1.5 mm，测试 增强，而游离枝晶的分布表明界面反应的程度 . 其
3次后取平均值. 采用HV-1000型显微维氏硬度计测试 中零添加量涂层形成锯齿状枝晶的数量较少，这是由
涂层硬度，载荷为4.9 N、保压时间10 s，测试10次后取 于过多游离小岛状枝晶的溶解促进了涂层对基体的
平均值. 采用HSR-2M型高速往复式摩擦试验机测试 侵蚀. 而添加质量分数为4%和8%和12%的涂层游离
涂层摩擦学性能，所用载荷为10 N、频率10 Hz、往复 中枝晶数量较多且尺寸较大，表明界面反应程度减
行程5 mm，摩擦对偶采用φ6 mm的氮化硅陶瓷球. 采 弱，但较多数量锯齿状枝晶的形成，使涂层与基体结
用MT-500探针型表面磨痕测量仪测试磨痕二维轮廓 合强度提高 [20-21] . 进一步由图2(b1)、(b2)、(b3)和(b4)可
形貌，并由W=V/FS计算涂层磨损率，其中V为涂层磨 知，所有涂层试样内部均未观测到明显的未融化石英
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损体积(mm )，F为外加载荷(N)，S为总行程(m). 每个 颗粒，表明石英在涂层中具有较好的溶解性. 涂层内
涂层试样测试3次后取平均值. 根据GB/T7990-2013标 随机分布着尺寸不同的孤立球形气孔，其中靠近表面
准，检测涂层机械冲击性能，所用落球为直径33.3 mm、 的气孔呈椭球状，而靠近基体的气孔均为规则的球形.
质量130 g的GCr15钢球，其垂直下落高度为1.3 m，冲 这是由于涂层在烧结时产生的H 、CO和CO 等无法完
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击功为1.656 J. 采用带有能谱(EDS)的Quanta450FEG 全排出，冷却后滞留在其内部而形成气孔 [22-23] ，涂层表
场发射扫描电子显微镜(SEM)分别表征石英的组成成 层区域黏度较低，气体向涂层表面迁移而使气孔变形.
分以及涂层截面和磨损形貌. 采用Image J软件计算涂 未添加石英的涂层内气孔孔径较大、数量较少，最大
层气孔率，并采用Nano Measurer软件统计涂层横截面 气孔直径可达90 μm，接近涂层厚度的1/3. 随着石英
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面积为0.379 mm (0.256 mm × 1.48 mm)区域内所有气 添加量的增加，涂层内部气孔逐渐由体积大、数量少
孔的孔径大小及数量. 向体积小、数量多转变，且当添加质量分数为8%和
12%时，其内部气孔数量明显增多，气孔孔径显著减小.
2 结果与讨论
图3为不同石英添加量涂层截面气孔率及孔径分
2.1 石英微观形貌及成分分析 布图. 由图3可知，石英添加质量分数为0%、4%、8%和
图1为磨加物石英的显微形貌及EDS分析结果， 12%的 涂 层 气 孔 率 分 别 为 22.86%、 19.82%、 12.69%
由图1(a)可知石英颗粒形状不规则且粒径大小不均 和10.83%，气孔密度分别为80.61、124.01、279.68和
(a) 7
(b)
Si Element Atomic fraction%
6
O
Al Al 62.6
23.8
Si
Intensity×10 −3 /eV 4 3
5
O
13.6
1 2 Au
0
500 μm 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Binding energy/keV
Fig. 1 Micrograph of quartz particles (a) and EDS analysis results (b)
图 1 石英颗粒的显微形貌(a)及EDS分析结果(b)
